無人機航測虛擬仿真實驗系統開發與設計

吉宸佳，曹爽，張杰，李虹穎，顧沖，郭奕

（1.南京信息工程大學 遙感與測繪工程學院，江蘇 南京 210044）

隨著我國工業化的快速發展，對技術性、操作性人才的需求量日益增大，對高校實踐教學提出了更高的要求，傳統的高校實踐教學必將面臨新的改革[1]。近年來，教育部大力提倡并支持工科虛擬實驗項目建設，“數字校園”將成為新的校園發展建設方向。遠程虛擬仿真實驗室作為“數字校園”的重要支撐，必將會有廣闊的發展平臺和應用前景。虛擬仿真是一種可以構建虛擬世界的計算機系統。這種虛擬世界可以是現實世界的重現，也可以是想象中的世界，用戶可通過多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互[2-4]。現階段，對學生實驗技能的培養主要是通過傳統的實踐教學，而虛擬仿真實驗室作為一種輔助手段，可為實際操作提供有力補充，實現高效率、高質量的實踐教學。此外，虛擬仿真實驗室作為新時代教學改革的主要方向，將來可能會顛覆傳統的教學思維和實踐模式，突破時間和空間的限制，增強學生的學習興趣，充分改善傳統實驗室的使用效能，全面提升教學質量，培養更多的合格人才。在大數據和人工智能快速發展的背景下，虛擬仿真實驗室的普及將會推動虛擬實踐教學模式的全面發展與應用，虛擬仿真實驗教學必將成為一種普遍的教學方式[5]。

攝影測量學是一門注重理論與實踐相結合的課程，在所學理論知識的基礎上，要求學生利用課內實驗已掌握的基本實驗技能，通過儀器設備和資料進行綜合實踐，系統學習并應用航空攝影測量的知識，實現從理論知識到實踐操作的全面提升。高等院校測繪類專業在制定培養方案時都將攝影測量課程認定為專業核心課程，攝影測量實踐教學作為其中的一個重要環節，對其教學內容和環節的設計與組織就顯得很有必要[6]。然而，該教學內容具有使用設備昂貴（無人機和航測相機費用均較高），一定的危險性（如操作不當易導致無人機、相機等儀器設備毀壞，甚至威脅人身安全），涵蓋的知識點多，難以直接用黑板、紙面展示等特點[7-8]，使得實驗教學無法全面開展；且傳統實驗課無法提升學生的創造力和積極主動性。在實習過程中，由于教學實踐場地有限以及裝備數量較少，對時間和空間的限制較嚴格，無法保證所有學生都能直接操控儀器獲取數據，課堂教學效率較低，學生缺乏合理有效的操作練習，無法全面認識和熟悉航測作業的數據獲取和數據處理過程，對攝影測量理論與實踐的結合產生不利影響[9-10]；且還需安排專門的實驗室管理員，人力資源消耗較大。因此，為了改善目前傳統實踐教學環境[11]，適應虛擬仿真實踐教學模式的發展，本文研究了虛擬現實技術下無人機航空攝影測量仿真教學的實驗方法，基于3ds Max、SketchUp、Python等語言進行虛擬實驗場景模型、無人機三維模型、控制軌道動態模型的構建以及虛擬模型與虛擬場景的全面融合，開發了無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統。

1 三維建模軟件和開發軟件

1.1 3ds Max軟件

3ds Max是基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件[12]，可提供利用基本多邊形建模、利用面片建立和復合對象建模等建模方法，通過改變半徑、角度和頂點等參數設置，即可完成扭轉、彎曲、拉伸以及壓縮等變形，也可制作簡單的動畫，操作簡便，是目前主要的三維建模工具。3ds Max的設計界面十分簡單清晰，所使用的操作按鈕均在界面顯示，用戶可直接通過修改基本模型參數設置來制作復雜的變形模型。此外，該軟件采用多視圖建模的方法，提供了頂視圖、左視圖、右視圖和透視視圖等，用戶在建模時可從多角度對模型進行全方位建模，在不同的視圖界面完成相應的模型修改，以提高模型設計的效率。該軟件通過渲染為模型添加燈光、紋理、凹凸等效果，可添加Vray渲染插件，使模型外形更加貼合實際場景，增強了用戶的體驗感和真實感[13-14]。近年來，3ds Max軟件憑借功能齊全、價格低、簡單易學、效率高等特點，倍受業界青睞，已逐漸應用于各行各業。

1.2 SketchUp軟件

SketchUp是一款具有強大三維建模功能的設計軟件，采用“鉛筆”的繪制方式，讓用戶感受如同在畫紙上的設計體驗，使用方法簡單快捷，用戶可在電腦上充分展現自己的模型構思，已廣泛推廣于建筑設計、園林規劃等行業。該軟件提供了多樣的材質庫，用戶無需另外下載材質圖片；支持多種格式文件的導入，可實現與AutoCAD、3ds Max等軟件的快速交互轉換。用戶可僅通過推、拉等操作實現復雜模型的構建，且模型可以線稿、草稿以及透視等多種顯示模式呈現在用戶面前，便于后期有針對性的修改。

1.3 AutoCAD軟件

AutoCAD作為繪制二維平面圖、工具剖面圖的主要方式，具有豐富的圖像、圖形以及繪制工具，也可完成簡單的三維圖形繪制，并可添加文字、尺寸等標注，操作便捷，功能多樣，簡單易學，已廣泛應用于現實生活的各個方面。本文對外業測量數據進行整理計算，在AutoCAD軟件中繪制校園平面圖；并在二維平面圖的基礎上，構建校園建筑物的三維模型。

1.4 Python語言

Python語言是一種易學易讀的腳本語言，至今已有30年的歷史。它對程序設計過程進行簡化，并提高了編寫效率，為用戶提供了一種便于理解的語言方式。此外，相較于C語言，Python語言在圖形輸出方面具有更強的使用性，且具有更少的程序代碼以及更接近自然語言邏輯的語法[15-16]。由于其優越的使用性能，已成為界面開發的主要工具，贏得了眾多開發人員的青睞。在系統開發中，本文利用Python語言進行無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統的設計，包括系統主界面各模塊的設計以及各模塊具體內容的完善。

2 系統整體架構

本文結合遙感與測繪工程學院的無人機航空攝影測量沙盤實驗室以及具體的實習過程，設計了無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統。該系統將校園實景構建為虛擬三維模型，基于Python語言，利用無人機虛擬模型實現航空攝影測量實習的全過程，主要包括航攝方式選擇、儀器組裝的參數選擇、起降點選擇、航線設計、航攝過程控制、航攝異常處理和航攝質量檢查。學生可隨時隨地地進行實習操作，改善了教學質量，不僅可以完成指定的教學任務，還可以實現一些現實教學中無法進行的教學任務。該系統主要包括知識學習模塊、仿真實驗模塊、課后練習模塊、操作視頻模塊、個人中心模塊和關于我們模塊，學生可反復操作練習，全面提升個人素養，加深對教學內容的理解，提高學習積極性和創新性。系統整體架構如圖1所示。

圖1 無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統架構

3 系統實現

實驗場景模型包括虛擬操場環境模型和虛擬校園模型。利用3ds Max軟件實現虛擬操場環境建模和無人機三維建模，并經過后期處理生成更加貼合實際的三維模型；利用SketchUp軟件實現整個校園的虛擬三維模型構建；通過Python語言將虛擬模型與虛擬場景進行融合，實現動畫和動態交互，最終進行網絡發布與運行。具體實現流程如圖2所示。

圖2 無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統實現流程圖

3.1 實驗場景模型構建

虛擬實驗場景建模主要是對真實場景的三維構建，只有當虛擬實驗場景十分貼合真實的自然環境時，才能使用戶產生沉浸感和交互性。不僅要注重所顯示的對象模型與真實對象在外形上的相似性，而且要求它們在材質、光線等方面都十分逼真[17]。因此，本文以真實校園地形地貌為基礎，參照遙感與測繪工程學院的航空攝影測量沙盤實驗室（圖3），在前期設計規劃時遵循仿真性、交互性和高效性的原則，構建了虛擬實驗場景的三維模型。

圖3 航空攝影測量沙盤實驗室

3.1.1 基于3ds Max的虛擬操場環境模型構建

虛擬操場環境模型由主席臺、看臺、樓梯、圍欄、跑道、健身器材以及一些樹木草坪等構成。首先需進行外業數據采集，獲取各物體真實的尺寸大小、形狀結構、紋理特征以及位置分布等信息，并及時做好數據記錄與整理；然后對采集的物體進行類別劃分，按照結構的復雜程度選擇相應的建模方法。3ds Max軟件中提供了多種建模方法，對于外部結構特征簡單的物體，可利用簡單的正方體、球體等直接建模或通過簡單的拼接構建復合幾何體，也可通過車削等將二維圖形轉換為三維幾何體[13]；對于結構復雜的物體，可利用長方體、圓柱體等簡單幾何體進行編輯，修改相應的參數設置，構建復雜幾何體。

草叢、樹木等綠化設施是操場環境中必不可少的一部分，其分布面廣、數量多，可采用實例技術實現同類對象的三維建模。這種方法運行效率高、操作簡便、便于修飾，可提高工作效率。此外，為了使用戶能夠有身臨其境的感覺，天空的建模也十分重要。3ds Max軟件提供了一種能展現場景效果，容納物體、燈光等要素的天空球制作方法。首先在3ds Max中繪制一個球體，并將其轉化為可編輯的多邊形；再通過更改參數設置生成半球體；然后在確定法線方向后，為半球體添加UVW貼圖；最后在材質編輯器中選擇合適的天空材質貼圖并設置相關參數[13]，這樣可使用戶隨時隨地看到完整視野，增強了系統的真實感和視覺效果。模型初步建模完成后，需對模型進行加工處理，使其更加貼合實際，主要包括選擇材質、設置光效和渲染烘焙，最終實現虛擬操場環境模型的構建。虛擬操場環境模型模擬效果如圖4所示。

圖4 虛擬操場環境模型

3.1.2 基于SketchUp的虛擬校園模型構建

虛擬校園模型包含許多三維立體模型，為了保證真實性，前期需進行大量的外業數據采集。首先利用全站儀和RTK聯合測量，并在AutoCAD中繪制高精度的校園平面布局圖；再根據實際需要對原始校園平面圖進行刪減，僅保留一些主要建筑物，以提高建模效率；然后將修剪后的校園平面布局圖導入SketchUp軟件，根據前期整理的模型數據直接進行“推拉”，實現大部分建筑物主體結構建模；最后利用直線、手繪線等繪圖方式對模型表面進行修改，完成對模型結構細節特征的補充。

SketchUp軟件中自帶了許多材質，包括園林綠化、屋頂、玻璃、木紋、金屬、磚和壁板等，可根據需要選擇相應的材質，基本滿足了一些簡易模型的材質需求，且無需安裝插件，有效減少了模型材質選擇與處理的時間。此外，該軟件中的“組件”功能提供了許多裝飾模型，如長椅、樹木、人物等，可通過拖拽直接導入SketchUp，快速實現大范圍的景觀建模，以增強校園環境模型的真實感與自然感。最終虛擬校園模型模擬效果如圖5所示。

圖5 虛擬校園模型

3.2 無人機三維建模

本文以大疆精靈Pro4消費級無人機為原型，采用3ds Max進行無人機虛擬模型的三維建模。基于采集的無人機相關數據，遵循從簡至難、由粗到細的建模原則，通過編輯標準幾何體、改變相關參數、修飾處理等步驟完成初步的無人機相關硬件建模，主要包括無人機三維模型、控制手柄模型和平板電腦模型。部分模型如圖6所示。

圖6 無人機模型

此外，利用3ds Max軟件構建控制軌道模型，并實現控制軌道動態運動以及無人機定位動態拍照[12]。根據構建的虛擬實驗場景，項目提供了3種航線設計方案，用戶利用項目提供的數據自行計算并設置相關飛行參數，當完全符合任意一種方案的參數設置時，即可開始飛行任務。方案中假定相對航高為2 800 mm，焦距為35 mm，航向長度為3 700 mm，旁向長度為5 100 mm，當航向重疊度為60%、旁向重疊度為35%～40%時，每條航線拍攝5張相片，航向間距約為985 mm，共有4條航線；當航向重疊度為70%、旁向重疊度保持不變時，每條航線拍攝6張相片，航向間距約為739 mm，共拍攝24張相片；當航向重疊度為75%、旁向重疊度保持不變時，每條航線拍攝7張相片，航向間距約為616 mm，共拍攝28張相片。

3.3 虛擬模型與虛擬場景的融合

本文設計的虛擬模型和虛擬場景各自獨立，需將所有模型與場景根據實驗內容融合到統一框架下。首先將得到的虛擬操場環境模型存儲為VS.max文件，無人機模型存儲為UAV.max文件；再將UAV.max和VS.max分別轉換為對應的UAV.obj、UAV.mtl和VS.obj、VS.mtl；然后通過Python的OpenGL讀取無人機模型和虛擬實驗場景模型的.obj文件、紋理文件（.mtl）和貼圖文件（TEX.jpg）；最后對三維模型的空間位置、比例大小以及方位等進行調整，實現模型與虛擬場景的完美融合。

3.4 網絡發布

通過與其他媒體素材的集成，將構建完成的無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統進行網絡發布，形成一個具有豐富控制結構和友好界面的虛擬實驗環境[12]，以實現高效的遠程教學。用戶類型主要包括學生、教師和管理員。系統允許多用戶同時訪問，通過網絡實現實驗系統的遠程瀏覽和交互操作，完成無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗操作。系統界面如圖7所示。

圖7 無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統主界面

4 結語

本文對無人機航空攝影測量仿真教學的實驗方法進行了研究，并基于虛擬現實技術設計開發了無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統，有效結合了虛擬實驗室和實體實驗室，盡可能地滿足了實踐教學需求，提高了教學效率。學生通過系統可以不受任何限制的進行課前預習和課后鞏固練習，提高了實踐教學的知識學習效率；還可以利用無人機虛擬模型簡單快捷的體驗航空攝影測量的全過程，在具有安全保障的前提下極大地提升了學生的實踐動手能力，每一步操作都有安全提示，完善了學生的理論知識體系。無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗系統是一種全新的教學模式，為學生營造了一種輕松靈活的實踐操作氛圍，加深了對知識的理解，增強了學生對實驗練習的興趣；在教學方面，彌補了傳統實驗室的不足，優化了教學資源，充分滿足了教師和學生的實踐要求，提供了可靠、安全又經濟的教學環境，為實踐教學改革注入了新的活力。

在今后的研究中將進一步完善該系統，盡可能地提高學生練習的自由度，豐富教學資源，積極拓展其在實踐教學中的其他應用，建立更加安全可靠、綠色節約的教學平臺。